Problème — La quadrature de la parabole, d'Archimède au pont
Exercice de TD · niveau 3 (difficile) · mathématiques complémentaires (terminale), chapitre 14 — Thème 4 — Calculs d'aires
Énoncé
Problème — La quadrature de la parabole, d'Archimède au pont.
Un pont en arc a une ouverture parabolique de m de portée et m de flèche. On place l'origine au pied gauche de l'arc, l'axe des abscisses au niveau des naissances.
- Vérifier que convient, et calculer l'aire de l'ouverture.
- Montrer, plus généralement, qu'une arche parabolique de portée et de flèche a pour aire .
- Archimède, vingt siècles avant l'intégrale, a démontré que l'aire d'un segment de parabole vaut de celle du triangle inscrit dont le troisième sommet est le point où la tangente est parallèle à la corde. Vérifier ce résultat sur notre arche.
- Sa démonstration remplit le segment de triangles : le grand triangle , puis deux triangles de deuxième génération, puis quatre, etc. Vérifier que la deuxième génération totalise , et admettre qu'il en va de même à chaque étape. Conclure avec le chapitre 1.
- La façade du pont est un rectangle de m sur m, percé de l'arche. L'ouvrage est épais de m. Quel volume de pierre a-t-il fallu ?
Corrigé
- L'équation et l'aire. Le trinôme s'annule en et : les deux naissances sont bien au niveau du sol. Son maximum est au milieu, , où
ce qui est la flèche annoncée. L'aire de l'ouverture vaut, en développant :
- Le cas général. Une parabole de portée et de flèche s'écrit : elle s'annule en et , et vaut en . Alors
On vérifie : . L'aire d'une arche parabolique vaut les deux tiers de celle du rectangle qui la contient — une formule qu'un maçon peut retenir.
- Le résultat d'Archimède. La corde est le segment de à , horizontale. La tangente lui est parallèle là où , c'est-à-dire au sommet . Le triangle inscrit a donc pour base et pour hauteur :
C'est exactement l'aire trouvée par l'intégrale.
- L'exhaustion. Prenons la corde de à , de coefficient directeur . La dérivée vaut , et
point où . Le triangle de sommets , et a pour aire
Par symétrie, le triangle correspondant à droite vaut aussi m : la deuxième génération totalise . On admet qu'il en va de même à chaque étape — c'est le cœur de la démonstration d'Archimède. L'aire du segment est alors
par la formule du chapitre 1 sur la somme des termes d'une suite géométrique de raison . Les sommes partielles valent ; ; ; ; : elles montent vers sans jamais l'atteindre, ce qui est précisément la façon dont Archimède raisonnait — en encadrant, faute d'avoir la notion de limite.
- Le volume de pierre. La façade fait m, dont m de vide :
Il est frappant que la première quadrature exacte de l'histoire — un segment de parabole, par Archimède, vers — repose sur une suite géométrique, c'est-à-dire sur le chapitre 1 de ce livre, et que ce soit un calcul d'aire qui l'ait exigée. La méthode d'exhaustion, qui encadre l'inconnu entre deux quantités qu'on resserre, est l'ancêtre direct de notre comptage de carreaux : deux mille deux cents ans, et la même idée.
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